ブロックチェーンシャーディングの仕組み: 並列化、スループット、設計のトレードオフ (2026)

インテントチェック: このページは、スケーラビリティ アーキテクチャの 1 つとしてのシャーディングについて説明しています。セキュリティ、分散化、スケーラビリティのトレードオフに関するより広範なフレームワークが必要な場合は、以下をお読みください。 ブロックチェーンのスケーラビリティのトレードオフ。

1 つの高速道路に 1 車線しかない場合、どんなに賢い信号機を設置しても高速道路に変えることはできません。これは本質的に、ほとんどの初期のブロックチェーンが採用が始まった瞬間に遭遇する問題です。すべてのフルノードは、すべてのトランザクションを処理し、すべての状態を保存し、すべてのブロックを検証する必要があります。その結果、混雑、料金の高騰が発生し、分散化とスケーラビリティが逆の方向に進んでいるという痛ましい認識が生じます。シャーディングは業界が繰り返し求めているアーキテクチャ上の答えであり、2026 年にはこれまで以上に関連性が高まっています。

このガイドは、シャーディングに関する暗号通貨特有の見解です。データベースの話を期待して「シャーディングとは」を検索した場合は、適切な場所にたどり着きますが、ちょっとした工夫が必要です。内部に存在するシャーディングについても説明します ブロックチェーン ネットワーク: ノードがどのように委員会に分割されるか、トランザクションが並列チェーン間でどのようにルーティングされるか、状態がどのように分割されるか、敵対的な状況下で混乱全体がどのように安全に保たれるか。データベース シャーディングがその名前の由来となっていますが、ブロックチェーン シャーディングは、Sybil 耐性、フォークの選択、シャード間のアトミック性など、SQL クラスターがこれまで直面したことのない問題を解決する必要があります。

この記事を読み終えるまでに、シャーディングの 3 つの核となるフレーバー、イーサリアムが実行シャーディングからデータ シャーディングに密かに方向転換した理由、NEAR、TON、Polkadot、Zilliqa、MultiversX などのネットワークが実稼働環境でどのように実装するか、モジュラー スタック内でロールアップとシャーディングがどのように相互作用するか、次のサイクルに向けてどの未解決の問題が未解決のままかを理解できるようになります。これはスローガンではなく実質を求める開発者や上級ユーザー向けに書かれた長文です。

ブロックチェーンにおけるシャーディングとは何ですか

シャーディングは、分散データベースから借用され、ブロックチェーンのコンセンサスに適応された水平分割技術です。 1 つのグローバル チェーンにわたるすべてのトランザクションを検証するようすべてのノードに要求するのではなく、ネットワークはシャードと呼ばれる小さなグループに分割されます。それぞれ shard は、トランザクションの独自のサブセットを処理し、状態の独自の部分を維持し、他のブロックと並行して独自のブロックを生成します。多くの場合、ビーコン チェーンまたはリレー チェーンと呼ばれる調整レイヤーは、すべてをつなぎ合わせ、グローバルな順序とファイナリティに関してシャードの一致を保ちます。

暗号通貨特有の工夫が重要です。データベースではオペレーターを信頼しますが、唯一の敵はハードウェア障害です。パブリックブロックチェーンでは運営者は存在せず、敵は金銭目的の攻撃者です。したがって、ブロックチェーンのシャードは、単に「たまたまこのパーティションを保持している任意のノード」であることはできません。ランダムに割り当てられ、定期的にローテーションされる必要があります validator subset は汚職を経済的に不合理にするのに十分な集団的利害を持っています。委員会のランダムな割り当ては、データベース シャーディングをパーミッションレス ネットワーク上に安全に展開できるものに変える秘密のソースです。

シャード化されたブロックチェーンは、セキュリティ予算を共有するミニチェーンの連合体と考えることができます。すべてのシャードは、ワークロードの一部のみを処理しながら、ランダム サンプリングと暗号化証明を通じてバリデータ セット全体のセキュリティを継承します。これは、少なくとも理論的には、ネットワークの合計スループットがシャードの数に応じてほぼ直線的に増加するようにするためのトリックです。実際には、クロスシャード メッセージング、データの可用性、バリデーターの負荷に関して注意事項があり、このガイドの残りの部分で説明します。

ブロックチェーンにスケーリングが必要な理由

シャーディングの仕組みに入る前に、なぜ業界がスケーラビリティにこだわるのかを理解する価値があります。ビットコインは 1 秒あたり約 7 トランザクションを処理します。イーサリアムのメインネットは、トランザクションの複雑さに応じて、およそ 15 ～ 30 TPS にとどまります。比較すると、Visa は通常の日は 1 秒あたり数万件を処理し、ショッピング休暇中にははるかに多くのピークを迎えます。仮想通貨がソーシャルネットワーク、ゲーム経済、高頻度取引をホストしたいのであれば、これらの数字はスタート地点にはなりません。

ボトルネックは帯域幅ではなく、すべてのフルノードがすべてのトランザクションを個別に検証する必要があるという要件です。この要件により、ブロックチェーンに信頼を最小限に抑える特性が与えられます。自分でノードを実行して履歴全体を確認できるため、マイナー、バリデーター、または他のユーザーを信頼する必要はありません。しかし、これと同じ特性により、スループットは最も遅い合理的な消費者向けハードウェアの速度に制限されます。ブロックサイズやブロック時間を厳しくしすぎると、バリデーターをネットワークから追い出し、資金豊富な少数のオペレーターにチェーンを集中させてしまいます。

これは、Vitalik Buterin が明確に述べた有名なブロックチェーンのトリレンマです。分散化、セキュリティ、スケーラビリティのうち 2 つを選択してください。シャーディングは、ノード数を減らさずにノードごとのワークロードを削減することでトリレンマを打破する最も直接的なアーキテクチャ上の試みです。他のアプローチとしては、 レイヤ 2 ロールアップ は、実行をオフチェーンに移動することで、同じ問題を別の角度から攻撃します。 2 つの戦略は相補的であり、相互に排他的ではなく、2026 年にはこれらが連携して最も効果的に機能することが示されました。

渋滞は抽象的な懸念事項ではありません。 2021年のNFTブームと2024年の碑文ブームの間、イーサリアムのガス料金は定期的に200グウェイを超え、1回のスワップコストは100ドルを超えました。 Solana は、トランザクションの洪水によってリーダー ノードが圧倒され、繰り返し停止に見舞われてきました。異常事態の最中にビットコインのメモリプールのバックログが発生し、トランザクションあたりの手数料が 50 ドルを超えました。導入の波ごとに基盤となるアーキテクチャのストレス テストが行​​われ、それを最もよく処理したチェーンは、シャーディングのような設計か、積極的なレイヤー 2 エコシステムを備えていました。

シャーディングの仕組み: 中心となるアイデア

最も基本的なレベルでは、シャーディングは 3 つのことを並行して実行します。バリデータ セットを複数の委員会に分割し、それらの委員会全体でトランザクションの負荷を分割し、グローバル状態を分割して、各委員会がその一部のみを保持する必要があるようにします。これらの分割はそれぞれ独立して実装できるため、完全なシャーディング チェーンは 3 つすべてを組み合わせたものであっても、ネットワーク シャーディング、トランザクション シャーディング、状態シャーディングが別個の概念として扱われることがあります。

ブロックチェーンのシャーディングを困難にしているのは調整の問題です。非シャード チェーンでは、グローバル状態はロックステップで遷移します。つまり、すべてのブロックがタッチされたすべてのアカウントを更新し、すべてのノードに同じビューが表示されます。シャード チェーンでは、シャード A が 2 つのアカウント間でトークンを転送していると同時に、シャード B がそれらのアカウントに依存するスマート コントラクトを更新している可能性があります。慎重に設計しないと、状態が矛盾したり、二重支出が発生したり、停止したりする可能性があります。 cross-shard の取引。最新の設計のほとんどは、次の方法でこの問題を解決します。 beacon chain は、シャード ブロック ヘッダーの正規の順序付けと、シャードが相互に最終的な状態を参照できるようにするメッセージング プロトコルを生成します。

上の図は、コアの違いを視覚的に示しています。左側では、すべてのノードがすべての負担を負うため、ノードを追加しても容量ではなく冗長性が追加されるだけです。右側では、作業が分割されているため、ビーコン チェーンがすべての一貫性を保つグローバルな一貫性を提供し、シャードを追加することで効率的に容量が追加されます。作業を分割して状態を調整するための正確なメカニズムは、シャード化されたプロトコルごとに異なります。

3 種類のシャーディング

シャーディングは 1 つの手法ではなく、多くの場合組み合わされる 3 つの関連する手法のファミリーです。一部のチェーンは 3 つのうち 1 つだけを実装しながら自らを「シャード」と呼んでおり、セキュリティとスケーラビリティへの影響が大きく異なるため、この区別を理解することが重要です。

ネットワークシャーディング

ネットワーク シャーディングは最も基本的なフレーバーです。バリデータ セットは、多くの場合、ビーコン チェーン上の検証可能なランダム関数または VRF によって駆動される、ランダム シャッフル プロセスを通じて委員会に分割されます。各委員会は 1 つのシャードのコンセンサスと、定義されたエポックのブロック生成に責任を負い、その後、割り当てが再シャッフルされます。このローテーションは、攻撃者がどのシャードに到達するか事前にわからないため、攻撃者が特定のシャードのバリデーターに賄賂を贈ったり侵害したりすることを経済的に不可能にするため、セキュリティにとって重要です。

すべてのノードがすべてのシャードの出力を検証する必要がある可能性があるため、ネットワーク シャーディング自体はスループットをあまり向上させません。その真の価値は、他の 2 つのシャーディング タイプが依存するセキュリティ プリミティブを設定することにあります。ランダムな委員会の割り当てがなければ、トランザクションと状態のシャーディングは、特定のパーティションに対する標的型攻撃に広くさらされてしまいます。

トランザクションのシャーディング

トランザクション シャーディングは、個々のトランザクションを特定のシャードにルーティングします。ルーティング キーは、送信者のアドレス、宛先コントラクト、またはトランザクション自体のハッシュにすることができます。 Zilliqa は、トランザクション シャーディングの初期の実稼働環境の 1 つであり、送信者アドレスごとにトランザクションを分割します。各シャードはそのサブセットを並行して処理し、その結果を最終コンセンサス ステップに送信し、そこでグローバル ブロックが組み立てられます。

トランザクション シャーディング単独の欠点は、すべてのノードが完全な状態を保存する必要があることです。したがって、並列実行は可能ですが、状態のシャーディングに伴うストレージの削減は得られません。これは、イーサリアムの以前のロードマップ文書では「実行シャーディング」と呼ばれることもあります。

状態シャーディング

状態のシャーディングは最も負担のかかる作業であり、最大の見返りです。グローバル状態は分割されているため、各シャードには一部のみが保存されます。シャード 3 に割り当てられたノードは、シャード 3 に存在するアカウント、残高、スマート コントラクト ストレージを保持するだけで済みます。その結果、ノードあたりのストレージと帯域幅の要件が大幅に削減され、ハードウェアが安価になり、参加が容易になり、分散化が促進されます。

コストは複雑さです。トランザクションが送信先のシャードとは異なるシャードで状態を読み書きする必要がある場合、シャード間で通信する必要があります。これはシャード間問題であり、ステートシャードチェーンを構築する際のエンジニアリング上の課題の大半を占めます。次のセクションで詳しく説明します。

シャード間通信

クロスシャードトランザクションは、理論と現実が出会う場所です。シャード 1 のアリスがシャード 2 のボブにトークンを送信したいと考えているとします。状態の変更は、異なるブロックの異なる委員会によって作成された 2 つのパーティションに影響するため、転送は単一のシャード内でアトミックに完了することはできません。シャード 1 がアリスの残高を差し引いても、シャード 2 がボブに入金できなかった場合、資金を失ったことになります。逆のことが起こった場合、何もないところから資金を作成したことになります。どちらも受け入れられません。

ほとんどの実稼働設計では、ビーコン チェーンを介した 2 フェーズ コミット プロトコルでこれを解決します。シャード 1 はまずアリスの資金をロックし、ブロック ヘッダーに記録されるクロスシャード レシートを発行します。ビーコン チェーンはそのヘッダーを完成させます。次に、シャード 2 は次のブロックにレシートを含め、ボブにクレジットを付け、ビーコン チェーンに含まれる確認を発行します。両方のレグが完了した後にのみ、転送は完了したとみなされます。チェーンのスロット時間とファイナリティ ガジェットに応じて、ダンス全体には通常 1 ～ 数秒かかります。

NEAR プロトコルは、非同期クロスシャード トランザクションと呼ばれる特にエレガントなアプローチを普及させました。 NEAR は、マイクロサービスがネットワーク上で通信する方法と同様に、すべてのシャード間呼び出しを非同期メッセージのように扱います。送信側シャードが通話をスケジュールし、受信側シャードが後のブロックで通話を処理し、応答が非同期で返されます。開発者は、明示的な Promise ベースの API を使用してコントラクトを作成します。これにより、アプリケーション層で非同期が可視化されます。その代償として、スマート コントラクトのコードはより冗長になりますが、プロトコルは特殊な原子性の保証なしできれいに拡張できるようになります。

Polkadot は、クロスコンセンサス メッセージング (XCM) と呼ばれる別のモデルを使用します。本質的に Polkadot のシャードであるパラチェーンは、リレー チェーンを通じて XCM メッセージを送信することによって通信します。各パラチェーンは主権実行環境として動作し、XCM はそれら全体にわたる資産転送、コントラクト呼び出し、ガバナンス アクションのための標準化された形式を提供します。 TON ワークチェーンは、シャードチェーンの階層とメッセージをルーティングするマスターチェーンを使用し、マスターチェーンはすべてのシャードが参照するグローバルな状態証明を生成します。

シャーディングのトレードオフ

シャーディングは無料ではありません。並列処理を作成する同じパーティショニングによって新しい攻撃対象領域も作成され、シャード チェーンのエンジニアリングは常にバランスをとる作業です。最も議論されているリスクは、1% 攻撃とも呼ばれる単一シャードの乗っ取りです。 100 個のシャードと合計 10,000 個のバリデーターを含むチェーンでは、各シャードには 100 個のバリデーターしか含まれない可能性があります。総ステークの 1% を制御する攻撃者は、ネットワーク全体でわずかなシェアを保持している場合でも、原則として単一のシャードをターゲットにし、そのシャードの過半数に到達する可能性があります。

ランダムな委員会の割り当てが主な防御です。回転させることで validator subset の割り当てが予期せず頻繁に行われるため、このプロトコルは攻撃者がターゲットのシャードにステークを集中する機会を拒否します。適切に設計された VRF とステーク重み付けサンプリングを組み合わせると、攻撃者がネットワーク全体の過半数を制御していないと仮定すると、攻撃者が委員会の 3 分の 1 以上を制御する可能性は非常に小さくなります。多くのデザインでは、製作委員会以外のバリデーターの定足数からの認証も必要となり、新たな防御層が追加されます。

もう 1 つの大きなトレードオフは、データの可用性です。シャードのブロックプロデューサーがブロックを公開しても、基礎となるトランザクションデータを差し控えると、ネットワークの残りの部分はブロックを検証したり、不正行為を検出したりできなくなります。これがデータの可用性の問題であり、次のようなイノベーションの波を引き起こしました。 モジュラーブロックチェーン デザインと Celestia のような専用のデータ可用性レイヤー。これについては、データ利用可能性のサンプリングのセクションで再検討します。

状態の増大、バリデーターのロードバランシング、およびエポックの途中でシャードを切り替える必要がある可能性のあるノード実行の複雑さも、さらなる問題点です。これらはいずれも克服できないものではありませんが、本番シャード チェーンが成熟するまでに何年もかかった理由と、一部のチームが最終的に代わりにロールアップ中心のスケーリングに舵を切った理由を説明しています。

シャーディング、ロールアップ、サイドチェーン

Crypto のスケーリング スタックは重複する概念のスープであり、シャーディングは定期的にロールアップやサイドチェーンと混同されます。これらは、ユーザーの観点からは似ていても、根本的に異なるアプローチです。シャーディングは、ベース チェーンのアーキテクチャを変更するレイヤー 1 スケーリング手法です。ロールアップは、オフチェーンでトランザクションを実行し、圧縮された結果をベース レイヤにポストバックするレイヤ 2 構造です。サイドチェーンは、ブリッジによって接続された独立したチェーンです。

それらを区別する最も明確な方法は、実行が行われる場所とセキュリティがどこから来るかによって異なります。シャーディングは複数の並列チェーンにわたるベース チェーン上で実行され、すべて同じバリデータ セットによって保護されます。ロールアップは独自のシーケンサー上でオフチェーンで実行されますが、データと証明をベースレイヤーにポストし、暗号化または経済的保証を通じてそのセキュリティを継承します。サイドチェーンは独自のバリデーターを備えた独自のインフラストラクチャ上で実行され、ブリッジを介してメインチェーンに緩やかにのみ接続されます。つまり、そのセキュリティは独立しています。

ロールアップ内ではさらに分割されます。 楽観的 vs ZK ロールアップ は、ベースレイヤーに戻って正しさを証明する方法に基づいています。オプティミスティック ロールアップは、ウィンドウ内で異議を申し立てられない限り有効であるとみなされますが、ZK ロールアップは各バッチで正確性の暗号証明を提出します。どちらのアプローチも、レイヤー 1 での共有データの可用性から多大な恩恵を受けます。レイヤー 1 は、まさにイーサリアムの最新のロードマップが最終的に到達した場所です。

完全にモジュール化されたスタックでは、シャーディングとロールアップは相互に補完します。シャード化されたレイヤー 1 は、安価で豊富なデータの可用性と決済を提供します。その上に構築されたロールアップは、大量のユーザー トランザクションを実行し、その圧縮されたバッチをシャードされたベース レイヤーにポストします。これが、2022年の合併以来イーサリアムが目指してきた方向であり、次のサイクルに向けて業界のコンセンサスが固まりつつあるように見える。

シャーディングの実践: 実際の実装

理論と発送は別です。少数のネットワークは実稼働環境にシャーディングを導入しており、長年にわたる運用経験を活用しています。それぞれが異なるデザインを選択しており、比較することは有益です。

ナイトシェード近く

NEAR の Nightshade 設計は、ネットワーク全体をスロットごとに 1 つの論理ブロックを生成するものとして扱いますが、そのブロックは「チャンク」で構成され、各チャンクは異なるシャードによって生成されます。バリデーターは複数の委員会に分割され、それぞれがチャンクを受け取り、ビーコンのような調整によって統一されたブロック ヘッダーが生成されます。 NEAR は 2020 年からこのデザインを採用しており、ネットワークが成長するにつれて徐々にシャードが増えてきました。非同期クロスコントラクト呼び出しモデルは NEAR 開発の特徴であり、非同期セマンティクスを開発者に公開する方法について業界に貴重な教訓を与えました。

ジリカ

Zilliqa は 2019 年に稼働し、シャーディングを出荷した最初の主要パブリック チェーンとなりました。状態シャーディングを使用せずに、ネットワーク シャーディングとトランザクション シャーディングを使用します。つまり、ノードは完全な状態を保持したままになります。スループットはシャードの数に応じて上限まで拡張され、ディレクトリ サービス (DS) 委員会は各シャード委員会の結果をグローバル ブロックにまとめます。 Zilliqa は、後のプロジェクトによってデザインの選択が洗練された場合でも、コンセプトが本番環境で機能することを証明するため、有用な参照点となります。

水玉パラチェーン

Polkadot のパラチェーン モデルは主権をシャーディングしています。各パラチェーンは本質的に、独自のランタイム ロジック、ガバナンス、トークンノミクスを備えた異種シャードですが、共有セキュリティと呼ばれるプロセスを通じて Polkadot のリレー チェーン バリデータ セットによって保護されています。パラチェーンバリデーターはランダムに割り当てられてローテーションされ、リレーチェーンは最終性を提供します。パラチェーン スロットはオークションに掛けられ、同時に存在できるパラチェーンの数が制限されますが、ゲーム内でそれぞれのパラチェーンが経済的なスキンを持つことが保証されます。

マルチバーズX

MultiversX (旧 Elrond) は、ネットワーク負荷に基づいてシャードの数を自動的に調整するアダプティブ ステート シャーディングを実装しています。メタチェーンはワーカー シャードを調整し、バリデーター シャッフルを処理し、シャード間のファイナライズを処理します。 MultiversX は 3 つのシャーディング タイプすべてを 1 つの設計に組み合わせており、テストネットでは数十万 TPS のスループットを実証していますが、実際の使用量はこれより低いです。

TON ワークチェーン

TON は、そのシャーディング モデルが異常に野心的であるため、特別に言及する価値があります。マスターチェーンはワークチェーンを調整し、負荷が増大すると各ワークチェーンを動的にシャードチェーンに分割し、負荷が減少するとマージし直すことができます。この「無限シャーディング パラダイム」は、手動によるシャード プロビジョニングを必要とせずに大規模なスケールに対応できるように設計されています。さらに詳しく知りたい場合は、専用の TON シャーディング ガイドでは、マスターチェーン、ワークチェーン、シャードチェーンの階層を詳しく説明しています。

イーサリアムとシャーディング

イーサリアムとシャーディングの関係は、プロトコル設計における最も興味深いケーススタディの 1 つです。 2017 年のオリジナルのイーサリアム 2.0 ロードマップでは、それぞれが独自の状態とトランザクション処理を持ち、すべてビーコン チェーンによって調整される 64 の実行シャードが想定されていました。 Beacon Chain 自体は 2020 年 12 月に開始され、コミュニティではしばらくの間、完全な実行シャーディングが実現するのはわずか数年先だと考えられていました。

次にロールアップ中心のピボットが登場しました。 2020年後半、Vitalik Buterin氏は、レイヤー1でのシャーディング実行の代わりに、イーサリアムはロールアップを主要なスケーリング手段とし、代わりにシャードデータの可用性を確保すべきであると提案しました。その理由は、ロールアップ、特に ZK ロールアップは、複数のシャードにまたがる EVM を再構築するよりも速く実行のスケーラビリティを実現できること、そしてベースレイヤーが最も得意とすること、つまり決済とデータの可用性に集中できるということでした。コミュニティも同意し、シャーディング実行は事実上棚上げされました。

それを置き換えたのがダンクシャーディングです。イーサリアム研究者のダンクラッド・ファイストによって提案されたダンクシャーディングは、イーサリアムをロールアップ用のデータ可用性レイヤーに変えます。複数の実行シャードの代わりに、チェーンは「ブロブ」を提供します。ブロブとは、ブロックにアタッチされているが EVM によって処理されない大きなデータの塊です。ロールアップは、圧縮されたトランザクション データを BLOB として投稿し、安価なストレージを取得し、イーサリアムのセキュリティを継承します。 EIP-4844 はプロト ダンクシャーディングとも呼ばれ、2024 年に出荷され、完全なダンクシャーディングの前身として BLOB を運ぶトランザクションを導入しました。

2026 年、イーサリアムは完全なダンクシャーディングの展開の真っ最中です。これにより、BLOB スループットが大幅に向上し、単一ノードがすべての BLOB をダウンロードする必要がないようにデータ可用性サンプリングが導入されます。最終状態は、ロールアップが実行を処理し、BLOB が安価なデータ可用性を提供し、通常のフル ノードがサンプリングと暗号化コミットメントを通じてすべてを検証するチェーンです。それはシャーディングですが、2017 年のロードマップで約束されていた種類のものではありません。

データ可用性のサンプリング

データ可用性サンプリングは、DAS と短縮されることがよくありますが、ブロックチェーンのスケーラビリティ研究における最も重要なイノベーションの 1 つであり、独立したセクションを設ける価値があります。これによって解決される問題は単純です。シャードまたはロールアップ ベースのシステムでは、たとえ単一のノードがすべてをダウンロードしていない場合でも、ネットワークはブロックの背後にあるデータが実際に公開されていることを確認する必要があります。この保証がなければ、悪意のあるブロック作成者はヘッダーを公開してもデータを保留し、不正行為の検出が不可能になる可能性があります。

単純な解決策は、すべてのノードにすべてのデータをダウンロードすることを要求することですが、これではシャーディングの目的が損なわれます。 DAS は、イレイジャー コーディングとランダム サンプリングを使用してこれを解決します。ブロック データは消去符号化されているため、符号化されたバイトの 50% があれば完全なデータを再構築できます。次に、各ノードはネットワークからエンコードされたデータの小さなスライスをランダムにサンプリングします。プロデューサーがデータを保留している場合、欠落しているスライスが多くの独立したサンプラーにわたってすぐに表示され、ブロックがファイナライズされる前に拒否される可能性があります。

数学は美しいです。ノードごとにランダムなサンプルが数十個しかないため、欠落したデータ ブロックの検出に失敗する確率はほとんどなくなります。これは、モバイルやブラウザベースのクライアントを含む非常に軽量のクライアントでも、完全なチェーンをダウンロードせずにデータ可用性の検証に参加できることを意味します。 data availability サンプリングはイーサリアムの完全なダンクシャーディング計画の中心であり、専用のデータ可用性レイヤーとしてゼロから設計された最初のチェーンである Celestia の背後にあるコアテクノロジーでもあります。

Celestia と同様のプロジェクトは、実行、決済、コンセンサス、データの可用性を専門的なレイヤーに分離するモジュラー ブロックチェーン運動に属しています。ロールアップはトランザクションを実行し、イーサリアム上での紛争を解決し、独自のシーケンサーを通じて合意を達成し、可用性を得るためにデータを Celestia に投稿します。シャード化されたデータ レイヤーとモジュラー アーキテクチャは、同じビジョンに収束しています。つまり、各機能を狭く保ち、各レイヤーを個別に拡張し、市場に最適な組み合わせを選択してもらいます。

制限と未解決の問題

シャーディングにはその期待にもかかわらず、研究者やエンジニアが日々取り組んでいる未解決の問題がまだあります。クロスシャードのアトミック性は依然として最も困難です。現在使用されている 2 フェーズ コミット プロトコルは機能しますが、遅延が発生し、シャード間のトランザクションが複数のスロットに拡張される可能性があります。複数のステップをアトミックに実行する必要がある複雑な DeFi プロトコルなど、同期コンポーザビリティに依存するアプリケーションの場合、このレイテンシは実際の制約になります。一部のチームはロールバックを使用した楽観的なクロスシャード実行を検討しています。これはユーザーには同期しているように感じられますが、内部で定期的な調整が必要です。

シャード間の MEV も未解決の問題です。モノリシック チェーンでは、ブロックを生成するバリデーターには、抽出可能な最大値を抽出する単一のウィンドウがあります。シャードチェーンでは、MEV の機会が複数のシャードにまたがる可能性があるため、異なる委員会のブロックプロデューサー間の調整が必要になります。これにより、シャードリーダー間の贈収賄やシャード間メッセージの選択的検閲など、新たな攻撃ベクトルが生み出されます。 2024 年から 2026 年の MEV 研究の波では、提案者と構築者の分離をシャーディング設定に拡張するなど、いくつかの緩和案が提案されましたが、大規模に完全に導入されたものはありません。

Validator の負荷分散は地味ですが重要な問題です。おそらくホットな dApp がそこに存在するため、あるシャードが他のシャードよりも人気が高くなると、そのバリデーターはより高い計算量とストレージの需要に直面します。 MultiversX のようなアダプティブ シャーディング設計は、ホット シャードを分割することで動的に再バランスを試みますが、そのプロセスは簡単ではなく、新しい障害モードが発生します。 NEAR のチャンクのみのプロデューサー モデルは、バリデーターが柔軟なままである一方で、チャンク プロデューサーが特定のシャードに特化できるようにすることで、この問題に部分的に対処します。

長距離国家証明、無国籍検証、証人の規模も活発な研究分野です。夢は、電話クライアントを含むすべてのノードが、暗号化証明を使用してテラバイト級の状態を圧縮し、最小限のデータで任意のシャード上のブロックを検証できるシャード チェーンです。バークル ツリー、マークル山脈、再帰的 ZK 証明はすべて、この未来に影響を及ぼします。私たちはまだそこに到達していませんが、軌道は明らかです。

シャーディングの未来

シャーディングの将来は、64 の実行パーティションを持つモノリシック チェーンという 2017 年のビジョンとは異なります。これは、シャードされたデータ可用性レイヤーがロールアップのエコシステムの下に位置し、レイヤー 1 シャーディングとレイヤー 2 ロールアップが競合するのではなく相互に補完するモジュラー スタックのように見えます。イーサリアムのダンクシャーディングとロールアップ中心のロードマップは、これを最も明確に表現していますが、共有セキュリティを備えたコスモス ゾーン、ポルカドットのエラスティック スケーリング パラチェーン、TON の無限シャーディングはすべて、関連するパスを歩いています。

今後数年間で、データの可用性がコモディティになると予想されます。複数のチェーンが、ロールアップとアプリ チェーンに最も安価で信頼性の高い DA レイヤーを提供するために競合します。シャーディングは、この競争を可能にする基礎的な技術になります。シャーディングがなければ、単一のチェーンが何千ものロールアップやアプリチェーンからのデータ量を処理できないからです。低レイテンシーの取引データ用に最適化されたシャードとアーカイブ ストレージ用に最適化されたシャードなど、特定のワークロードに特化したシャードも登場する可能性があります。

クロスシャードメッセージングが成熟するにつれて、クロスチェーンの構成可能性が劇的に向上します。パラチェーンが相互に通信したり、ワークチェーンが TON 全体で調整したりするのと同じプロトコルを一般化して、サードパーティのブリッジに依存せずにロールアップがネイティブに通信できるようにすることができます。これが、モジュラー ムーブメントとシャード チェーン エコシステムが融合しつつある理由の 1 つであり、インフラストラクチャのニーズを共有しているからです。

開発者の観点から見ると、シャーディングはフロントエンドの問題ではなくバックエンドの問題になりつつあります。初期のシャード チェーンでは、開発者はコントラクトがどのシャードに存在するか、非同期呼び出しを処理する方法、パーティション全体で状態を管理する方法について真剣に考える必要がありました。新しい設計では、これの多くがツールやランタイム抽象化の背後に隠されているため、開発者は、多くのシャードにわたって実行されるにもかかわらず、単一チェーンのように見えるコードを作成できます。この傾向が続くと、従来の Web アプリにおける CDN キャッシュやデータベース シャーディングと同様に、シャーディングはインフラストラクチャに徐々に浸透し、ほとんどのユーザーはシャーディングの存在に気付かなくなります。

よくある質問

イーサリアムはまだシャーディングを使用していますか?

はい、しかし当初の計画通りではありません。イーサリアムは実行シャーディングからデータ シャーディングに軸足を移し、ダンクシャーディングとしてブランド化されました。ビーコン チェーンは依然としてシャード データ可用性レイヤーを調整しており、EIP-4844 は最初のステップとして 2024 年に BLOB を運ぶトランザクションを導入しました。完全なダンクシャーディングは 2026 年まで展開され、チェーンのデータ可用性容量が劇的に拡大し、主にロールアップに恩恵をもたらします。したがって、チェーンは実行ではなくデータのみのためにシャード化されます。

シャーディングとロールアップの違いは何ですか?

シャーディングは、ベースチェーンを、異なる検証委員会によって処理される複数の並列チェーンに分割するレイヤー 1 スケーリング技術です。ロールアップは、オフチェーンでトランザクションを実行し、結果をベース レイヤにポストし、不正証明またはゼロ知識証明を通じてベース レイヤのセキュリティを継承するレイヤ 2 構造です。シャーディングはベース レイヤーをスケールし、ロールアップはその上でスケールします。これらは補完的であり、最新のスタックでは両方が使用されます。

シャーディングは安全ですか?

シャーディングは、正しく設計されていれば安全です。主なリスクは、攻撃者が特定のシャードにステークを集中させる単一シャードの乗っ取りです。委員会のランダムな割り当て、頻繁なローテーション、利害関係に重点を置いたサンプリング、および定足数の証明が標準的な防御策です。データ可用性のサンプリングとスラッシュなどの経済的インセンティブを組み合わせることで、最新のシャード チェーンはモノリシック チェーンに匹敵するセキュリティ レベルを達成しますが、セキュリティ モデルを推論するのはより複雑です。あ 攻撃力 51% は、チェーン全体を攻撃するよりもはるかに安価です。そのため、ランダム性の品質が非常に重要です。

データ利用可能サンプリングとは何ですか?

データ可用性サンプリングは、ブロック全体をダウンロードせずに、ライトノードがブロック データが公開されたことを検証できるようにする手法です。データは消去符号化されているため、その一部でも全体とノードをランダムに再構築できます。 sample ネットワークからの小さなスライス。データが保留されている場合、欠落しているスライスが多くのサンプラーですぐに表示されます。 DAS は、イーサリアムのダンクシャーディング プランと Celestia のような専用のデータ可用性チェーンの中心です。

2026 年にシャーディングを使用するブロックチェーンはどれですか?

2026 年の本番シャード チェーンには、NEAR プロトコル (Nightshade)、Zilliqa、Polkadot (パラチェーン)、MultiversX (適応ステート シャーディング)、TON (ワークチェーンとシャードチェーン) が含まれます。イーサリアムはダンクシャーディングを介してデータシャーディングを実装します。 Celestia および同様のモジュラー チェーンは、データの可用性のためにシャーディング隣接技術を使用します。各設計では、実行シャーディング、状態シャーディング、データ シャーディングの間でさまざまなトレードオフが行われますが、並列委員会間でワークロードを分割するという中心的なアイデアはすべて共有されています。

シャードチェーンは複数のシャードにまたがるスマートコントラクトをサポートできますか?

はい、ただし開発者のエクスペリエンスはモノリシック チェーンとは異なります。ほとんどのシャード チェーンでは、シャード間コントラクト呼び出しが非同期である必要があります。つまり、呼び出し元が呼び出しをスケジュールし、結果が後のブロックで返されます。 NEARのPromiseベースAPIはその代表例です。一部の設計は、ロールバックを使用した楽観的な実行を通じて同期的なシャード間の構成可能性を提供することを目的としていますが、今日の実稼働デプロイメントは非同期パターンに大きく依存しており、これが DeFi プロトコルとゲームがシャードチェーン上でどのように構築されるかに影響を与えます。

結論

シャーディングは、ブロックチェーン エンジニアリングにおける最も奥深いアーキテクチャ上のアイデアの 1 つです。バリデーター委員会間で作業を分割し、シャード間で状態を分割し、ビーコン チェーンを通じて調整することで、トリレンマに正面から取り組んでいます。うまく機能すると、分散化とセキュリティを維持しながら、シャード数に合わせてスループットが向上します。下手をすると新たな攻撃対象領域が生まれ、開発者のエクスペリエンスが複雑になります。シャーディングを成功させたチェーンは、設計の反復に何年も費やしており、NEAR、Zilliqa、Polkadot、MultiversX、TON から得た教訓は業界全体に伝えられています。

2026 年の全体像は、2017 年のビジョンよりも微妙です。純粋な実行シャーディングは、実行、決済、コンセンサス、およびデータ可用性のための特殊なレイヤーを組み合わせたモジュラー アーキテクチャを備えたデータ シャーディングとロールアップに大きく取って代わられています。イーサリアムの 64 個の実行シャードからダンクシャーディングとロールアップへの転換は最も顕著な例ですが、これはより広範な業界のコンセンサスの一部です。 DeFi プロトコルを構築している場合でも、展開するチェーンを選択している場合でも、単に暗号インフラストラクチャがどこに向かっているのかを理解しようとしている場合でも、シャーディングは深く知る価値のある概念です。

次回、「100,000 TPS」または「無限のスケーラビリティ」を宣伝するチェーンを見かけたら、そのチェーンがどのようにシャーディングを実装しているかを見てください。ネットワーク、トランザクション、状態、データをシャーディングするかどうかを尋ねます。委員会をランダム化する方法、シャード間メッセージがどのように機能するか、データ可用性サンプリングがスタックの一部であるかどうかを確認してください。答えは、どのマーケティング スライドよりも、チェーンの実際のエンジニアリングについてはるかに多くのことを教えてくれます。その知識と以下の理解を組み合わせる PoW と PoS コンセンサスメカニズムを活用すれば、新しいブロックチェーンをその誇大宣伝ではなく技術的なメリットに基づいて評価する基盤が得られます。